CN108708723A - 一种煤岩柱交替支撑无煤柱充填开采减沉方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤岩柱交替支撑无煤柱充填开采减沉方法。通过在采空区垮落带进行注浆处理，胶结破碎矸石，减小矸石的压实系数，加快稳定承载体形成时间，再生稳固的岩石支撑基础，配合具有稳定基础的支撑煤柱支撑上覆岩层，降低煤柱应力，煤岩柱交替支撑，控制地表下沉。采用本发明对垮落带矸石注浆加固使其“改性”，再生稳固的岩石支撑基础。

Description

一种煤岩柱交替支撑无煤柱充填开采减沉方法

技术领域

本发明属于煤矿开采技术领域，特别涉及了一种煤岩柱交替支撑无煤柱充填开采减沉方法。

背景技术

煤层开采后上覆岩层通常形成三带分布，由下到上分别为垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，覆岩离层区注浆主要控制目标为离层区上部岩层，控制对象处于弯曲下沉带，由于煤层开采后覆岩处于非稳定状态，且由非稳定到稳定状态是一个长时间过程，在此过程中离层区下部岩层会随着下方垮落带和裂隙带的压实而发生下沉，从而导致关键层发生弯曲下沉。

原隔离注浆充填开采中，上覆岩层稳定性依靠具有稳定基础的煤柱支撑带与非稳定支撑的承载压实区支撑带支撑，后者由于冒落矸石存在裂隙且压实程度低为不稳固的虚支撑基础。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种煤岩柱交替支撑无煤柱充填开采减沉方法，对垮落带矸石注浆加固使其“改性”，再生稳固的岩石支撑基础。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种煤岩柱交替支撑无煤柱充填开采减沉方法，通过在采空区垮落带进行注浆处理，胶结破碎矸石，减小矸石的压实系数，加快稳定承载体形成时间，再生稳固的岩石支撑基础，配合具有稳定基础的支撑煤柱支撑上覆岩层，降低煤柱应力，煤岩柱交替支撑，控制地表下沉。

进一步地，再生岩柱稳定后，回收煤柱，回收煤柱的过程中通过垮落带注浆和离层区注浆，使原煤柱区域形成新的稳固的再生岩柱。

进一步地，垮落带注浆钻孔沿着开切眼附近垂直打入煤层裂隙带下方，随后沿着煤层裂隙带下方水平打孔，通过高压注浆将裂隙带下方压穿，使得浆液进入垮落带。

进一步地，确定垮落带注浆时机的方法为，需保证煤层工作面后方垮落带注浆不进入工作面，当注浆孔位于工作面后方L距离时开始注浆：

L＝R·f

其中，R为浆液扩散半径，f为设定的安全系数。

进一步地，初次注浆孔位置的确定方法为，初次注浆孔应置于煤层上方亚关键层最大离层位置，且初次注浆孔至切眼的距离应该小于主关键层极限跨距对应工作面长度的一半。

进一步地，相邻注浆孔间距的确定方法为，相邻注浆孔间距应该小于等于目标关键层极限跨距对应工作面长度，且相邻注浆孔间距需要满足下式：

L_j≤2k_jR_k

上式中，L_j为相邻注浆孔间距，k_j为安全系数，R_k为浆液扩散半径。

进一步地，按下式确定垮落带注浆量Q_垮：

Q_垮＝P_矸·c·h_垮·λ·L

上式中，P_矸为矸石孔隙率，c为胶结支撑体宽度，h_垮为垮落带高度，h_煤为采高，L为工作面推进长度，λ为碎胀系数。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本发明能够降低煤柱应力，防止煤柱崩坏。回收煤柱，实现资源高效使用。岩柱支撑上覆岩层，控制地表沉陷，为无煤柱开采提供指导。本发明具有原理易于理解，操作简便，成本低廉等特点，且有广泛的实用性。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；

图2是本发明中垮落带注浆示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明从控制下覆岩层稳定性的角度出发提出采空区垮落带加固型注浆，充分利用矸石自身的承载能力，又对垮落带、裂隙带进行注浆，胶结破碎矸石，对垮落带矸石注浆加固使其“改性”，减小矸石的压实系数，加快稳定承载体形成时间，再生稳固的岩石支撑基础，使其由“虚”变“实”，成为关键层的有效支撑点。

垮落带岩层体积变形特征：

不处理：原岩层——垮落碎胀(增大)——重新压实(减小)

注浆加固：原岩层——垮落碎胀(增大)——注浆加固(不变)

当支撑体稳固后，进行煤柱回收，回收煤柱过程中同样采用垮落带注浆和离层区注浆的方式，原煤柱区域形成新的稳固支撑体，达到”煤柱-再生岩柱”支撑的效果，实现对地表的有效控制。原理如图1所示。

再生岩柱由冒落带矸石与充填浆液铰接而成，其作用与留设煤柱原理相同，目的为支撑上覆岩层。岩柱的稳定性主要取决于岩柱的载荷和岩柱强度，当岩柱所承受的载荷小于岩柱的承载能力时岩柱时稳定的。岩柱的强度主要由组成岩柱的冒落带破断岩石块体的强度、胶结加固材料的力学特性以及冒落矸石和浆液的混合均匀程度等决定。以下采用Obert—Dwvall/Wang公式进行计算岩柱强度：

式中，R—岩柱强度，MPa；R_c—岩柱原位临界立方体单轴抗压强度，MPa；B—岩柱宽度，m；h—岩柱高度，M。

再生岩柱平均应力：

式中，σ为再生岩柱上的平均应力；D为采空区宽度；γ为上覆岩体容重；H为埋深。

为了保证岩柱的稳定，要求R≥σ。根据再生岩柱稳定性公式可知，在一定的注浆技术处理后，可以得到强度足够的再生岩柱。实现人工造岩支撑，在保证足够强度的前提下，实现安全支撑。

再生岩柱稳定后，回收煤柱，回收煤柱的过程中通过垮落带注浆和离层区注浆，使原煤柱区域形成新的稳固的再生岩柱。逐次回收煤柱，提高资源回收率。

如图2所示，煤层注浆层位位于2^#煤层裂隙带下部，垮落带注浆钻孔沿着开切眼附近垂直打入2^#煤层裂隙带下方，随后转水平孔，沿着裂隙带下方水平打孔。通过高压注浆将裂隙带下方压穿，使得浆液进入垮落带，使得垮落带内岩石胶结成一个整体，形成稳定承载结构。

确定垮落带注浆时机的方法为，需保证煤层工作面后方垮落带注浆不进入工作面，当注浆孔位于工作面后方L距离时开始注浆：

L＝R·f

其中，R为浆液扩散半径，f为设定的安全系数。

初次注浆孔位置的确定方法为，初次注浆孔应置于煤层上方亚关键层最大离层位置，且初次注浆孔至切眼的距离应该小于主关键层极限跨距对应工作面长度的一半。

相邻注浆孔间距的确定方法为，相邻注浆孔间距应该小于等于目标关键层极限跨距对应工作面长度，且相邻注浆孔间距需要满足下式：

L_j≤2k_jR_k

上式中，L_j为相邻注浆孔间距，k_j为安全系数，R_k为浆液扩散半径。

按下式确定垮落带注浆量Q_垮：

Q_垮＝P_矸·c·h_垮·λ·L

上式中，P_矸为矸石孔隙率，c为胶结支撑体宽度，h_垮为垮落带高度，h_煤为采高，L为工作面推进长度，λ为碎胀系数。

本发明可以带来以下经济社会效益：

(1)保护生态环境。采用煤柱—再生岩柱交替支撑无煤柱充填开采技术，能够提前控制地面沉陷，实现对采空塌陷的有效控制，避免由采空区地面沉降、塌陷导致的耕地大面积积水、破坏、土地盐渍化，地表断裂和陷落，起伏不平，坑穴众多，以及地面建筑物裂缝、偏移、公路变形、破坏等一系列环境及安全问题。

(2)实现连续开采。由于不占用采场空间，可以实现连续开采，而空间置换方法必须在采煤后让出时间来充填。有的方法还要等初凝后工作面方可推采。

(3)实现大面开采。可以实现机械化，大产能，实现年产100万t以上成为现实。其它各类充填开采或条带开采都无法实现大产能。

(4)降低充填成本。无论是矸石充填、膏体充填、超高水、离水充填，单位成本都相当惊人，有的吨煤成本高达200多元/t，接近300元/t，而注浆充填一般仅为其它充填方式的三分之一到四分之一。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种煤岩柱交替支撑无煤柱充填开采减沉方法，其特征在于：通过在采空区垮落带进行注浆处理，胶结破碎矸石，减小矸石的压实系数，加快稳定承载体形成时间，再生稳固的岩石支撑基础，配合具有稳定基础的支撑煤柱支撑上覆岩层，降低煤柱应力，煤岩柱交替支撑，控制地表下沉。

2.根据权利要求1所述煤岩柱交替支撑无煤柱充填开采减沉方法，其特征在于：再生岩柱稳定后，回收煤柱，回收煤柱的过程中通过垮落带注浆和离层区注浆，使原煤柱区域形成新的稳固的再生岩柱。

3.根据权利要求1所述煤岩柱交替支撑无煤柱充填开采减沉方法，其特征在于：垮落带注浆钻孔沿着开切眼附近垂直打入煤层裂隙带下方，随后沿着煤层裂隙带下方水平打孔，通过高压注浆将裂隙带下方压穿，使得浆液进入垮落带。

4.根据权利要求3所述煤岩柱交替支撑无煤柱充填开采减沉方法，其特征在于：确定垮落带注浆时机的方法为，需保证煤层工作面后方垮落带注浆不进入工作面，当注浆孔位于工作面后方L距离时开始注浆：

L＝R·f

其中，R为浆液扩散半径，f为设定的安全系数。

5.根据权利要求3所述煤岩柱交替支撑无煤柱充填开采减沉方法，其特征在于：初次注浆孔位置的确定方法为，初次注浆孔应置于煤层上方亚关键层最大离层位置，且初次注浆孔至切眼的距离应该小于主关键层极限跨距对应工作面长度的一半。

6.根据权利要求3所述煤岩柱交替支撑无煤柱充填开采减沉方法，其特征在于：相邻注浆孔间距的确定方法为，相邻注浆孔间距应该小于等于目标关键层极限跨距对应工作面长度，且相邻注浆孔间距需要满足下式：

L_j≤2k_jR_k

上式中，L_j为相邻注浆孔间距，k_j为安全系数，R_k为浆液扩散半径。

7.根据权利要求3所述煤岩柱交替支撑无煤柱充填开采减沉方法，其特征在于：按下式确定垮落带注浆量Q_垮：

Q_垮＝P_矸·c·h_垮·λ·L

上式中，P_矸为矸石孔隙率，c为胶结支撑体宽度，h_垮为垮落带高度，h_煤为采高，L为工作面推进长度，λ为碎胀系数。